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美国能源部DOE燃料电池系统技术目标

时间:  2020-02-24 17:50  来源:  氢智会编译   作者:  郭阳阳

美国燃料电池技术办公室“多年研究、开发和示范(MYRD&D)计划”陈述了燃料电池技术办公室(FCTO)(隶属于美国能源部能效和可再生能源办公室(EERE))的所有活动目标、目的、技术目标、任务和时间表。MYRD&D计划是一份现成的文件,会定期进行修订以反映技术的进展,对发展时间表和目标的修订,基于外部审查的更新以及FCT办公室范围的变更。该文件于2003年首次发布,并于2005年进行了修订。该文件在2012年进行了重大修订,以反映科学进步和不断变化的技术格局。对MYRD&D计划所做的任何修订均通过严格的变更控制流程进行,如本报告的“系统集成”部分所述。能源部内部的氢和燃料电池活动继续受到氢和燃料电池界利益相关者的广泛关注,其中包括国家研究委员会和美国国家工程院的专家组。

本次编译内容,来源于3.4 “2016燃料电池“部分,这部分内容在2017年5月更新过。

美国能源部DOE燃料电池系统技术目标

美国能源部DOE燃料电池系统技术目标

技术目标

表3.4.3至3.4.10列出了美国能源部(DOE)为集成PEMFC电力系统、燃料电池堆和直接氢燃料组件用于轻型运输设定的特定技术目标。这些目标是根据美国汽车能效和车用能源可持续研发创新计划(U.S. DRIVE)合作企业 (包括汽车和能源公司,特别是燃料电池技术团队)的意见而制定的。参考组件目标是为了帮助组件开发人员在不测试整个系统的情况下评估进展。表3.4.11和3.4.12分别列出了总线和备用电源应用的DOE技术目标。表3.4.13和3.4.14列出了热电联供(CHP)应用的DOE技术目标。这些目标是根据固定式燃料电池发电系统开发人员的意见而制定的。表3.4.15和3.4.16分别列出了便携式电源和辅助电源应用的DOE技术目标。在所有情况下,必须同时实现所有目标;但是,状态值不一定来自单个系统。在适用的情况下,下列技术指标的测试方案已确定,并在附录表P.1至P.11中列出。

美国能源部DOE燃料电池系统技术目标

a. 目标不包括储氢,电力电子和电力驱动。

b. 直流输出能量与输入燃料(氢)的较低热值之比。在低于25%额定功率时出现峰值效率。

c. W. Sung, Y. Song, K. Yu, and T. Lim,现代起亚公司燃料电池电动汽车的最新进展,SAE Int. J. Engines 3.1 (2010): 768–772, doi: 10.4271/2010-01-1089.

d. J.Juriga,现代汽车集团开发燃料电池电动汽车,2012年5月10日, http://www.hydrogen.energy.gov/pdfs/htac_may2012_hyundai.pdf.

e. U. Eberle, B. Muller, and R von Helmolt,能源与环境科学,5 (2012): 8780.

f. 批量生产成本估计(每年500000个系统)。

g. 每年50万套系统的生产成本是基于燃料电池子项目在实验室规模上开发和演示的最先进组件的分析。为满足现实条件下的耐用性要求,还需要付出更多的努力将组件集成到一个完整的汽车系统中。美国能源部氢和燃料电池计划记录15015,“燃料电池系统成本- 2015”。 http://www.hydrogen.energy.gov/program_records.html

h. 基于2010年美国汽车工程师学会世界大会报告的状态值的平均值(W. Sung, Y-I. Song, K-H Yu, T.W. Lim, SAE-2-10-01-1089)。这些系统不一定满足其他系统级目标。

i. H2燃料能量(低热值) 包括考虑冷启动消耗电能所需的燃料能量。

j. J. Kurtz等人的论文《燃料电池电动车评估》2015年度评估中报告了最快速和最具耐久性的电压下降10%的平均时间,http://www.hydrogen.energy.gov/pdfs/review15/tv001_kurtz_2015_o.pdf (幻灯片9)。测试反映的是实际驾驶情况,而不是模拟的驾驶周期。没有报告催化剂用量,不一定与目标值0.125 mgPGM/cm2相匹配(表3.4.7)。

k. 峰值温度需需要达到或超过80°C。根据表P.6和P.7中的极化曲线和耐久性测试方案,测试后额定功率下降<10%。

l. 根据表P.8中的方案进行测量,电流密度1.2 A/cm2,电压下降小于5%。

m. 在规定的温度下冷冻8小时,不得影响完成后续目标。

n.新闻稿:本田展示FCX概念车,2006年9月25日,http://world.honda.com/news/2006/4060925FCXConcept/; 美联社,丰田公司开发了一种新型燃料电池混合动力车,2008年6月6日,http://www.nbcnews.com/id/25004758/.

美国能源部DOE燃料电池系统技术目标

a. 不包括储氢,电力电子,电力驱动和燃料电池辅助系统(热,水和空气管理系统)。

b. 电堆可直接在高达150 kPa(绝对) 氢气和空气入口压力下运行。

c. 功率是指净功率(即,堆功率减去预计BOP功率)。体积是“箱子”体积,包括封闭空间。

d. 新闻稿:丰田汽车公司宣布其环境技术发展状况,未来计划,2012年9月24日, http://www2.toyota.co.jp/en/news/12/09/0924.pdf.

e. M. Hanlon,”日产汽车通过新型燃料电池堆将功率密度提高了一倍”, 2011年10月13日, http://www.gizmag.com/nissan-doubles-power-density-with-new-fuel-cell-stack/20156/.

f. 极化曲线测量方法见表P.6。

g. 批量生产成本估计(每年500000个系统)。

h. 每年50万个电堆的生产成本是基于燃料电池技术办公室子项目在实验室规模上开发和演示的最先进组件的分析。为满足现实条件下的耐用性要求,还需要付出更多的努力将组件集成到一个完整的汽车系统中。美国能源部氢和燃料电池计划记录15015,“燃料电池系统成本- 2015”。 http://www.hydrogen.energy.gov/program_records.html

i. 峰值温度需要需要达到或超过80°C.根据表P.6和P.7中的极化曲线和耐久性测试方案,测试后额定功率下降<10%。

j. J. Kurtz等人的论文《燃料电池电动车评估》2015年度评估中报告了最快速和最具耐久性的电压下降10%的平均时间,http://www.hydrogen.energy.gov/pdfs/review15/tv001_kurtz_2015_o.pdf (slide 9)。测试反映的是实际驾驶情况,而不是模拟的驾驶周期。没有报告催化剂用量,不一定与目标值0.125 mgPGM/cm2相匹配。

k. 根据表P.8中的方案进行测量,电流密度1.2 A/cm2,电压下降小于5%。

l. Q/△Ti =[电堆功率(90kW)x(1.25V-额定功率下电压)/( 额定功率下电压)]/[(电堆冷却液出口温度(°C) -环境温度(40°C)]。目标假设80kW净功率的电堆总功率需90kW,并使用表P.6中的极化曲线测量方案(入口加湿和冷却液出口温度除外)。 入口加湿最高为40%RH,冷却液出口温度最高为最高运行温度。阴极和阳极入口压力最高为150 kPa(绝对值)。

m. 基于0.67 V的电压和80°C的电堆冷却液出口温度。

n. 使用表P.6中的极化曲线方案测量,30°C燃料电池堆电压与80°C燃料电池堆电压之比(1.0 A/cm2)。25°C露点仅用于30°C的运行。

o. 使用表P.6中的极化曲线方案测量,90°C燃料电池堆电压与80°C燃料电池堆电压之比(1.0 A/cm2)。59°C露点可用于90°C和80°C运行。

p.使用表P.6中的极化曲线方案测量,燃料电池堆在1.0 A/cm2,30°C瞬态电压与80°C稳态运行的电压之比。25°C露点仅用于30°C运行。30°C瞬态运行是在1 A/cm2处至少15分钟,然后在不改变运行条件的情况下降低到0.1 A/cm2条件持续3分钟。3分钟后,电流密度恢复到1 A/cm2,恢复到1 A/cm2后5秒测量电压。

美国能源部DOE燃料电池系统技术目标

a. 批量生产成本估计(每年500000个80-kWnet系统)。

b.每年为50万个系统生产足够MEA时的成本。美国能源部氢和燃料电池计划记录15015, “燃料电池系统成本—2015年” http://www.hydrogen.energy.gov/program_records.html. 成本包括所有MEA组件,包括框架和垫片。

c. 按照表P.7的耐久性测试方案,使用510催化剂(阳极/阴极负载为0.2/0.4 mgPGM/cm2)的Gore MEA在1.0-1.5A/cm2下电压降低10%之前的时间。Rod Borup和Rangachary Mukundan(LANL),私下交流和2013年度绩效评估报告(http://www.hydrogen.energy.gov/pdfs/review13/fc016_mukundan_2013_o.pdf)。 在其他地方也报告了更高的耐久性值(例如,在道路测中为3900小时,表3.4.3),但是这些更高的值并未使用表P.7中指定的驱动周期进行测量。

d. 峰值温度需要达到或超过80°C。根据表P.6和P.7中的极化曲线和耐久性测试方案,测试后额定功率下降<10%。

e. 根据表P.8中的方案进行测量,电流密度1.2 A/cm2,电压下降小于5%。

f. 极化曲线测量方法见表P.6。

g. Kongkanand等(通用汽车公司),“高活性去合金催化剂”,2014年度进展报告,http://www.hydrogen.energy.gov/pdfs/progress14/v_a_9_kongkanand_2014.pdf

h. 使用表P.6中的极化曲线测量方案,但可以使用最高工作温度下的任何温度,入口最大相对湿度为40%。额定功率的工作点取决于MEA温度和被定义为V=77.6/(22.1+T[°C])的电压,目标基于Q/ΔTi= 1.45kW/°C,Q/ΔTi的定义来自表3.4.4,MEA温度近似等于电堆冷却液出口温度。

i. 150 kPaabs下的功率密度为810 mW/cm2,250 kPaabs下的功率密度为1060 mW/cm2。A. Steinbach等(3M),“用于运输应用的高性能、耐用、低成本的膜电极组件”,2014年度绩效评估,

http://www.hydrogen.energy.gov/pdfs/review14/fc104_steinbach_2014_o.pdf

j. 使用表P.6中的极化曲线方案测量,在1.0 A/cm2运行期间,30°C时电压与80°C时电压之比。25°C的露点仅用于30°C的运行。

k. 基于使用高负载阴极(0.1/0.4 mgPGM/cm2阳极/阴极)的Gore MEA和SGL GDL(25BC/25BC)在LANL进行的测试。Rod Borup,燃料电池技术团队报告,2015年7月15日。

l. 使用表P.6中的极化曲线方案测量,燃料电池堆在1.0 A/cm2,30°C瞬时电压与80°C稳态运行的电压之比. 25°C露点仅用于30°C运行。30°C瞬态运行是在1 A/cm2处至少15分钟,然后在不改变运行条件的情况下降低到0.1 A/cm2条件持续3分钟。3分钟后,电流密度恢复到1 A/cm2,恢复到1 A/cm2后5秒测量电压。

美国能源部DOE燃料电池系统技术目标

a. 在80℃,一个标准大气压下进行测试,MEA中充分湿润的氢气和氧气。H2的测试方法, M. Inaba等,电化学学报,51, 5746, 2006。O2测试方法,Zhang等,电化学会志,160, F616-F622, 2013。

b. 具有纳米纤维支撑的14μm PFIA膜,M. Yandrasits (3M),私人通讯,2016年2月1日。

c. 增强和化学稳定的PFIA膜. M. Yandrasits等,(3M),美国能源部氢与燃料电池计划2015年度进展报告,https://www.hydrogen.energy.gov/pdfs/progress15/v_b_1_yandrasits_2015.pdf.

d. 批量生产成本估计(每年50万个80kW系统)。

e. 每年为50万个系统生产足够膜的成本. 美国能源部氢和燃料电池计划记录15015, “燃料电池系统成本—2015年.” http://www.hydrogen.energy.gov/program_records.html.

f. 根据表P.3,表P.4和表P.5中的方案进行测量。

g. 对于空气或N2测试,在50 kPa压差,80ºC和100%RH的条件下,0.1sccm/cm2等效渗透量可以用作替代。
 



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